KR101393000B1

KR101393000B1 - 섬유강화 복합재료의 제조 방법

Info

Publication number: KR101393000B1
Application number: KR1020130023410A
Authority: KR
Inventors: 이대길; 최일범; 김부기; 임준우; 김기현; 유영호; 김민국; 이동영; 최재헌; 남수현
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2014-05-09

Abstract

본 발명은 섬유펠트(Fiber felt)의 섬유가 노출되도록 섬유강화 복합재료(Fiber Reinforced Composite, FRC)의 표면에 접합되어 있는 FRC의 제조 방법을 개시한다. 원재료 적층물은 복수의 보강섬유들과 복수의 보강섬유들을 고정하도록 복수의 보강섬유들에 함침되어 있는 매트릭스를 구비한다. 원재료 적층물에 압력과 열을 가하여 원재료 적층물을 압밀·불완전 경화시키고, 원재료 적층물의 맨 위에 섬유펠트를 적층한다. 원재료 적층물과 섬유펠트에 압력과 열을 가하여 섬유펠트의 이면은 매트릭스에 접합되는 접합섬유부분으로 되고 섬유펠트의 표면은 그 섬유가 노출되는 노출섬유부분으로 되도록 원재료 적층물을 압밀·완전 경화시킨다. 원재료 적층물은 매트릭스의 온도를 상승시키는 제1 승온구간, 원재료 적층물에 가해지는 압력을 증가시키는 제1 정온구간, 매트릭스의 유리전이온도까지 상승시키는 제2 승온구간과 원재료 적층물을 완전 경화시키는 제2 정온구간으로 이루어지는 경화 사이클을 통하여 경화시킨다. 본 발명에 의하면, 섬유펠트의 섬유가 노출되도록 FRC의 표면에 접합되어 다른 부재와 접착조인트(Adhesive joint)를 구성하는 경우 접착성을 향상시킬 수 있다. 따라서 FRC의 표면처리가 불필요하여 생산성을 향상시키고, 생산비를 절감할 수 있다. 또한, PEMFC나 레독스 흐름전지의 FRC 분리판을 제조하는데 매우 유용하게 채택할 수 있다.

Description

섬유강화 복합재료의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING FIBER REINFORCED COMPOSITE MATERIAL}

본 발명은 섬유강화 복합재료(Fiber Reinforced Composite Material, FRC)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 섬유펠트(Fiber felt)의 섬유가 노출되도록 FRC의 표면에 접합되어 있는 FRC의 제조 방법에 관한 것이다.

복합재료란 성분이나 형태가 다른 두 종류 이상의 소재가 조합되어 유효한 기능을 갖는 재료를 일컫는다. 복합재료의 구성요소로는 섬유(Fiber), 입자(Particle), 층(Lamina), 매트릭스(Matrix) 등이 있으며, 이러한 요소들로 구성된 복합재료는 일반적으로 층상 복합재료, 입자강화 복합재료, FRC 등으로 구분할 수 있다. FRC는 섬유강화 플라스틱(Fiber reinforced plastic, FRP)로 부르고도 있다.

FRC는 기본적으로 보강섬유들과 매트릭스로 구성되어 있으며, 높은 비강성(Specific stiffness)과 비강도(Specific strength)를 보유하여 항공기, 자동차, 군수용품, 건축 및 토목자재 등에 이르기까지 다양하게 응용되고 있다. 보강섬유는 유리섬유(Glass fiber), 탄소섬유(Carbon fiber), 아라미드섬유(Aramid fiber), 폴리에스테르섬유(Polyester fiber), 폴리비닐아크릴섬유(Polyvinyl acrylic fiber) 등이 이용되고 있다. 아마미드섬유는 케블라섬유(Kevlar fiber, 상품명, 미국 듀퐁(Dupont)사)), 스펙트라섬유(Spectra fiber, 상품명, 미국 허니웰(Honeywell)사), 다이나마섬유(Dyneema fiber, 상품명, 네덜란드 디에스엠(DSM)사) 등이 적용될 수 있다. 매트릭스는 에폭시수지(Epoxy resin), 폴리에스테르수지(Polyester resin), 비닐에스테르수지(Vinyl ester resin), 폴리우레탄수지(Polyurethane resin) 등이 사용되고 있다.

한편, FRC는 기계적 접합보다는 고분자 접착제(Polymer adhesive)를 이용한 접합에 의하여 구조물을 구성하게 된다. FRC의 접합성을 향상시키기 위하여 FRC의 표면은 기계적 표면처리 및 화학적 표면처리를 실시하고 있다. 기계적 표면처리는 사포질이나 샌드 블라스팅(Sand blasting)에 의하여 FRC 표면의 이물질을 제거하고, 거칠기(Roughness)를 향상시키는 방법이다. 화학적 표면처리는 화염(Flame)이나 플라스마(Plasma)에 의하여 FRC의 표면에너지(Surface free energy)를 활성화시켜 접착성을 향상시키는 방법이다. 이러한 기계적 및 화확적 표면처리 이후에 2차 표면처리로 실란(Silane)과 같은 커플링 에이전트(Coupling agent)를 코팅(Coating)하여 접착성을 향상시키고 있다.

상기한 바와 같은 FRC에 의해서는 양성자 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)나 레독스 흐름전지(Redox flow battery)의 분리판을 제조하고 있다. FRC 분리판은 가스확산층(Gas diffusion layer, GDL)과 탄소섬유전극(Carbon fiber electrode)인 탄소섬유펠트(Carbon fiber felt) 사이의 전기접촉저항(Electrical interfacial resistance)을 낮추는 것이 중요하다. 전기접촉저항이 크면 연료전지의 스택(Stack)에서 전류손실이 커져 효율이 낮아지게 된다. FRC 분리판의 전기접촉저항을 낮추기 위하여 분리판의 표면에 흑연(Graphite)을 코팅하거나 플라스마 표면처리를 실시하고 있으나, 추가적인 표면처리공정의 실시에 의하여 생산성이 낮고, 생산비가 상승되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 FRC의 여러 가지 문제점들을 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은, 섬유펠트의 섬유가 노출되도록 FRC의 표면에 접합되어 있는 새로운 FRC의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, FRC의 제조 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 FRC의 제조 방법은, 복수의 보강섬유들과 복수의 보강섬유들을 고정하도록 복수의 보강섬유들에 함침되어 있는 매트릭스를 구비하는 FRC 원재료를 적층하여 원재료 적층물을 제조하는 단계와; 원재료 적층물에 압력과 열을 가하여 원재료 적층물을 압밀·불완전 경화시키는 단계와; 원재료 적층물의 맨 위에 섬유펠트를 적층하는 단계와; 원재료 적층물과 섬유펠트에 압력과 열을 가하여 섬유펠트의 이면은 매트릭스에 접합되는 접합섬유부분으로 되고 섬유펠트의 표면은 그 섬유가 노출되는 노출섬유부분으로 되도록 원재료 적층물을 압밀·완전 경화시키는 단계를 포함한다. 원재료 적층물은 매트릭스의 온도를 상승시키는 제1 승온구간, 원재료 적층물에 가해지는 압력을 증가시키는 제1 정온구간, 매트릭스의 유리전이온도까지 상승시키는 제2 승온구간과 원재료 적층물을 완전 경화시키는 제2 정온구간으로 이루어지는 경화 사이클을 통하여 경화시킨다.

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본 발명에 따른 FRC의 제조 방법은, 섬유펠트의 섬유가 노출되도록 FRC의 표면에 접합되어 다른 부재와 접착조인트(Adhesive joint)를 구성하는 경우 접착성을 향상시킬 수 있다. 따라서 FRC의 표면처리가 불필요하여 생산성을 향상시키고, 생산비를 절감할 수 있다. 또한, PEMFC나 레독스 흐름전지의 FRC 분리판을 제조하는데 매우 유용하게 채택할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 FRC의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 FRC의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 FRC에서 매트릭스의 경화 사이클을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 FRC의 제조 방법의 일례로 오토클레이브 성형 공정을 설명하기 위하여 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 FRC의 제조 방법의 일례로 핫프레스 성형 공정을 설명하기 위하여 나타낸 도면이다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하, 본 발명에 따른 FRC의 제조 방법에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 FRC(10)는 복수의 FRC 원재료(20)들의 적층(Stacking)에 의하여 구성되는 원재료 적층물(30)을 구비한다. FRC 원재료(20)는 표면(22)과 이면(24)을 가지며, 복수의 보강섬유(26)들과 보강섬유(26)들을 고정하고 있는 매트릭스(28)로 구성되어 있다. 보강섬유(26)들은 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유, 폴리에스테르섬유, 폴리비닐아크릴섬유 등으로 구성될 수 있다. 매트릭스(28)는 에폭시수지, 폴리에스테르수지, 비닐에스테르수지, 폴리우레탄수지 등으로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 FRC(10)는 표면(12)에 접합되어 있는 섬유펠트(Fiber felt: 40)가 접합되어 있다. 섬유펠트(40)의 섬유(42)들은 매트릭스(28)에 접합되어 있는 접합섬유부분(44)과 매트릭스(28)에 접합되지 않고 노출되어 있는 노출섬유부분(46)으로 구비한다. 섬유(42)들은 보강섬유(26)들과 마찬가지로 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유, 폴리에스테르섬유, 폴리비닐아크릴섬유 등으로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 FRC(10)는 오토클레이브 성형(Autoclave molding)과 핫프레스 성형(Hot press molding)에 의하여 제조할 수 있다. 오토클레이브 성형은 압력과 열을 부여하여 진공상태에서 구조물을 제작하는 방법이다. 핫프레스 성형은 히터가 설치되어 있는 가압판의 가압에 의하여 구조물을 성형하는 방법이다. 이와 같이 오토클레이브 성형과 핫프레스 성형 각각은 성형을 위하여 온도와 압력의 제어가 요구된다. 몇몇 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 FRC(10)는 레진트랜스퍼몰딩(Resin transfer molding, RTM), 압축성형(Compression molding), 시트몰딩컴파운드(Sheet Molding Compound, SMC), 벌크몰딩컴파운드(Bulk Molding Compound, BMC)에 의하여 제조할 수 있다.

한편, FRC(10)의 오토클레이브 성형과 핫프레스 성형은 프리프레그(Prepreg)에 의하여 실시하거나 핸드레이업 성형 공정(Hand lay-up molding process)에 의하여 실시할 수 있다. 프리프레그는 다수의 보강섬유들을 매트릭스에 함침한 후, 비-스테이지(B-stage)로 경화시켜 층(Laminate), 시트(Sheet), 매트(Mat), 직물(Fabric) 등 다양한 형태와 구조로 제조할 수 있다. 핸드레이업 성형 공정은 보강섬유 매트나 직물을 미리 이형 처리한 몰드(Mold)에 넣은 후, 작업자가 직접 매트릭스, 즉 수지를 브러시나 롤러에 의하여 함침 및 탈포하면서 적층하여 구조물을 제조하는 공정을 말한다.

도 3에 매트릭스의 일례로 에폭시수지에 대한 경화 사이클의 그래프가 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 에폭시수지의 경화 사이클은 제1 승온구간(S1), 제1 정온구간(S2), 제2 승온구간(S3)와 제2 정온구간(S4)으로 이루어진다. 제1 승온구간(S1)에서는 에폭시수지의 점도가 저하되어 최소가 된 후 서서히 증가하게 되고, 프리프레그의 층간 접합이 실시된다. 제1 정온구간(S2)에서는 프리프레그에 부여되는 압력을 증가시켜 압밀시킨다. 프리프레그의 압밀시점은 유전손실이 증가하는 시점으로 한다. 제2 승온구간(S3)에서는 에폭시수지의 유리전이온도까지 상승시킨다. 제2 정온구간(S4)에서는 에폭시수지를 완전히 경화시키게 된다. 한편, 에폭시수지 이외의 매트릭스 역시 에폭시수지와 유사한 경화 사이클로 경화된다.

도 4에 본 발명에 따른 FRC의 제조 방법의 일례로 오토클레이브 성형 공정이 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 오토클레이브 성형을 위한 금형세트(Mold set: 50)는 상부금형(52)과 하부금형(54)으로 구성되어 있다. 상부금형(52)과 하부금형(54)이 열려 있는 형개(Mold opening) 상태에서 하부금형(54)에 FRC 원재료(20)를 적층하여 원재료 적층물(30)을 구성한다. FRC 원재료(20)는 프리프레그(20a)로 구성될 수 있다.

도 1에 프리프레그(20a)는 보강섬유(22)들이 일방향으로 배열되어 있는 일방향 프리프레그(Unidirectional prepreg)가 예시적으로 도시되어 있다. 프리프레그(20a)의 보강섬유(22)들은 평직, 능직, 수자직으로 직조할 수 있다. 바람직하기로, 원재료 적층물(30)은 일방향 프리프레그들을 교차 적층하여 구성한다. 프리프레그(20a)는 탄소장섬유들을 에폭시수지에 의하여 고정한 탄소장섬유/에폭시수지강화 복합재료(Carbon long fiber reinforced epoxy resin matrix composite material)로 구성된다. 몇몇 실시예에 있어서, FRC 원재료(20)는 프리프레그(20a) 대신에 핸드레이업 성형 공정에 의하여 보강섬유와 매트릭스로 공급할 수 있다. 매트릭스가 함침되어 있지 않은 보강섬유는 촙드스트랜드매트(Chopped strand mat), 직물로빙(Woven roving)이 사용될 수 있다.

도 3과 도 4를 참조하면, 작업자는 원재료 적층물(30), 즉 프리프레그(20a)의 적층이 완료되면, 상부금형(52)과 하부금형(54)을 형폐(Mold closing)시키고, 금형세트(50)를 진공백(Vacuum bag: 60) 안에 배깅(Bagging)한다. 진공백(60)은 오토클레이브(70) 안에 투입한 후, 진공백(60)으로부터 공기를 배기하여 진공으로 조성한다. 그리고 오토클레이브(70)의 작동에 의하여 열을 가하여 원재료 적층물(30)을 압밀·불완전 경화(Partial cure)시키는 전경화공정(Precure process)을 실시한다.

매트릭스는 제1 정온구간(S2)에서 불완전 경화되게 된다. 작업자는 제1 정온구간(S2)에서 오토클레이브(70)로부터 진공백(60)을 꺼낸 후, 진공백(60)으로부터 금형세트(50)를 꺼내 상부금형(52)을 형개시킨다. 도 3의 그래프에 섬유펠트(40)의 적층을 위한 형개구간(S5)이 제1 정온구간(S2)에 은선으로 도시되어 있다. 작업자는 원재료 적층물(30)의 맨 위에 섬유펠트(40)를 적층하고, 금형세트(50)를 형폐시킨 후 진공백(60) 안에 넣는다. 진공백(60)은 오토클레이브(70) 안에 투입한 후, 진공백(60)으로부터 공기를 배기하여 진공으로 조성한다.

또한, 오토클레이브(70)의 작동에 의하여 열을 가하여 원재료 적층물(30)과 섬유펠트(40)를 압밀·완전 경화(Full cure)시켜 FRC(10)를 제조하는 후경화공정(Post cure process)을 실시한다. 후경화공정은 앞서 중단되었던 제1 정온구간을 완료하고, 제2 승온구간(S3)과 제2 정온구간(S4)을 완료하는 것으로 진행된다. 섬유펠트(40)의 적층을 위한 형개구간(S4)에 의하여 제2 정온구간(S4)이 도 3의 그래프에 은선으로 도시되어 있는 바와 같이 늘어나 정온연장구간(S6)으로 된다. 작업자는 후경화공정이 완료되면, 오토클레이브(70)로부터 진공백(60)을 꺼낸 후, 진공백(60)으로부터 금형세트(50)를 꺼내 상부금형(52)을 형개시키고, 하부금형(54)으로부터 FRC(10)를 분리한다.

도 1과 도 2를 참조하면, FRC(10)의 표면에는 섬유펠트(40)의 이면이 매트릭스(28)에 의하여 원재료 적층물(30)의 표면에 접합되어 있게 된다. 섬유펠트(40)의 표면은 매트릭스(28)가 없는 섬유(42)들이 노출되어 있는 노출섬유부분(46)으로 된다. 노출섬유부분(46)은 다른 부재와 접착조인트를 구성할 때 접착제의 보강재(Reinforcement)로 작용되어 접착성을 향상시키게 된다.

한편, 본 발명에 따른 FRC(10)가 PEMFC나 레독스 흐름전지의 분리판의 소재로 사용되는 경우, 섬유펠트(40)로 GDL과 탄소섬유전극과 같이 탄소섬유펠트를 FRC(10)의 표면에 부착하면, 전기접촉저항을 줄일 수 있다. 따라서 FRC 분리판의 전기접촉저항을 줄이기 위한 표면처리를 실시할 필요가 없다.

도 5에, 본 발명에 따른 FRC의 제조 방법의 다른 예로 핫프레스 성형 공정이 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 핫프레스 성형을 위하여 상부금형(52)과 하부금형(54)의 형개 상태에서 하부금형(54)에 FRC 원재료(20), 즉 프리프레그(20a)들을 적층하여 원재료 적층물(30)을 구성한다.

작업자는 원재료 적층물(30), 즉 프리프레그(20a)의 적층이 완료되면, 상부금형(52)과 하부금형(54)을 형폐시킨다. 금형세트(50)의 형폐 이후에 핫프레스 머신(Hot press machine: 80)의 상부가열판(82)과 하부가열판(84)을 상부금형(52)과 하부금형(54)에 밀착시켜 열을 가하는 전경화공정을 실시한다. 원재료 적층물(30)은 열과 압력에 의하여 압밀·불완전 경화된다.

계속해서, 작업자는 상부가열판(82)과 하부가열판(84)을 금형세트(50)로부터 분리하고, 상부금형(52)을 열어준 후, 앞에서 설명한 오토클레이브 성형 공정과 마찬가지로 원재료 적층물(30)의 맨 위에 섬유펠트(40)를 적층한다. 작업자는 금형세트(50)를 형폐시킨 후, 상부가열판(82)과 하부가열판(84)에 의하여 금형세트(50)에 열을 가하여 원재료 적층물(30)과 섬유펠트(40)를 압밀·완전 경화시켜 FRC(10)를 제조하는 후경화공정을 실시한다. 작업자는 후경화공정이 완료되면, 상부가열판(82)과 하부가열판(84)을 분리하고, 상부금형(52)을 형개시킨 후, 하부금형(54)으로부터 FRC(10)를 분리한다.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

10: 섬유강화 복합재료(FRC) 20: FRC 원재료
26: 보강섬유 28: 매트릭스
30: 원재료 적층물 40: 섬유펠트
44: 접합섬유부분 46: 노출섬유부분
50: 금형세트 60: 진공백
70: 오토클레이브 80: 핫프레스 머신

Claims

복수의 보강섬유들과 상기 복수의 보강섬유들을 고정하도록 상기 복수의 보강섬유들에 함침되어 있는 매트릭스를 구비하는 섬유강화 복합재료 원재료를 적층하여 원재료 적층물을 제조하는 단계와;
상기 원재료 적층물에 압력과 열을 가하여 상기 원재료 적층물을 압밀·불완전 경화시키는 단계와;
상기 원재료 적층물의 맨 위에 섬유펠트를 적층하는 단계와;
상기 원재료 적층물과 상기 섬유펠트에 압력과 열을 가하여 상기 섬유펠트의 이면은 상기 매트릭스에 접합되는 접합섬유부분으로 되고 상기 섬유펠트의 표면은 그 섬유가 노출되는 노출섬유부분으로 되도록 상기 원재료 적층물을 압밀·완전 경화시키는 단계를 포함하고,
상기 원재료 적층물은 상기 매트릭스의 온도를 상승시키는 제1 승온구간, 상기 원재료 적층물에 가해지는 압력을 증가시키는 제1 정온구간, 상기 매트릭스의 유리전이온도까지 상승시키는 제2 승온구간과 상기 원재료 적층물을 완전 경화시키는 제2 정온구간으로 이루어지는 경화 사이클을 통하여 경화시키는 섬유강화 복합재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 섬유펠트를 적층하는 단계는, 상기 원재료 적층물을 압밀·불완전 경화시키는 단계를 일시적으로 중지한 후 실시하는 섬유강화 복합재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 섬유펠트를 적층하는 단계는, 상기 제1 정온구간 중에 실시하는 섬유강화 복합재료의 제조 방법.
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